Файловая система – это что такое и как работает?

Файловая система — это то, что стоит между хаосом из нулей и единиц на диске и привычной структурой папок на экране. Она определяет, как данные записываются, хранятся и читаются — от домашнего ноутбука до нагруженного сервера 1C с сотнями одновременных подключений.

Помимо организации файлов, ФС управляет правами доступа: кто может читать, кто — записывать, а кому вход закрыт. Для сервера с конфиденциальными данными это не опция, а необходимость.

Подобрать серверное оборудование под конкретную задачу и файловую систему помогут инженеры Ittelo — мы работаем с железом, а не с рекламными буклетами.

Что такое файловая система

Файловая система — это прослойка между физическим диском и операционной системой. Она решает, куда записать новый блок данных, как быстро найти нужный файл среди миллионов других и что делать, если питание пропало на середине записи.

От выбора ФС зависит многое: скорость работы с мелкими файлами, устойчивость к сбоям, поддержка больших томов. Для домашнего ПК это редко критично — работает и ладно. А вот для сервера, где одновременно пишут и читают десятки процессов, выбор ФС напрямую влияет на производительность. Если вы ещё разбираетесь, что такое сервер и чем он отличается от обычного ПК — начните с этого, а потом вернитесь к файловым системам.

Классификация файловых систем

Прежде чем купить сервер или собрать хранилище, стоит понимать, какие файловые системы вообще бывают. Классифицируют их обычно по двум осям: тип носителя и внутренняя архитектура.

По типу носителя:

• локальные диски — NTFS и ReFS для Windows, APFS для macOS, семейство EXT и XFS/Btrfs для Linux;
• съёмные накопители — FAT32 и exFAT (работают практически везде);
• сетевые хранилища — NFS (Unix/Linux-мир), SMB/CIFS (Windows-среда и не только).

По особенностям реализации применяются отличающиеся методы распределения и обработки информации. FAT и NTFS хранят данные в виде цепочек, HFS+ и UFS – бинарных деревьев, EXT, ReiserFS и XFS – сложных конфигураций.

Задачи файловой системы

Если вы подбираете железо — скажем, решаете, как выбрать сервер для 1C — полезно понимать, какие задачи ложатся на файловую систему:

• создавать, копировать, перемещать и удалять данные;
• обеспечивать доступ для работы программам и пользователям;
• защищать данные, не допускать их утерю или повреждение;
• управлять свободным пространством на носителе;
• оптимизировать размещение и выполнение операций – сжимать, кэшировать.

Всё это в сумме даёт то, чего ждёт любой админ: данные на месте, доступ быстрый, а после сбоя не приходится восстанавливать всё с бэкапа.

Персональные инструменты

Персональные инструменты ФС — утилиты и встроенные средства ОС для повседневной работы с файлами. Что они умеют:

• управлять файлами, папками – создавать, удалять, перемещать, архивировать, распаковывать;
• заниматься поиском данных;
• сжимать файлы и дефрагментировать диски;
• защищать данные паролем, создавать пользовательские макросы и скрипты для выполнения рутинных операций.

Задача у всех этих инструментов одна — сэкономить вам время и нервы при работе с файлами, будь их десяток или десять миллионов.

Основные функции файловых систем

Основными функциями ФС выступают:

• структурировать информацию, облегчать доступ к ней и обеспечивать ее целостность;
• задавать доступность файлов и директорий на основании уровня привилегий конкретного пользователя;
• хранить метаданные – название, дату создания, размер;
• безопасно перемещать и копировать;
• создавать точки восстановления ФС, защищать ее от нежелательного проникновения и вирусных атак;
• оптимизировать работу.

ФС используют кэширование и дефрагментацию (а точнее — стараются минимизировать фрагментацию при записи), чтобы ускорить доступ к данным и рационально использовать дисковое пространство.

Операционные системы и типы файловых систем

Три основные ОС — три экосистемы файловых систем, хотя границы между ними давно размыты:

• Windows — NTFS для системных и рабочих дисков, ReFS для серверных сценариев. На флешках — FAT32 или exFAT;
• macOS — APFS на всех устройствах Apple с 2017 года. HFS+ ещё встречается на старых машинах, но Apple активно от неё уходит;
• Linux — EXT4 как дефолт для большинства дистрибутивов, XFS в RHEL-подобных системах, Btrfs набирает популярность (Fedora, openSUSE уже перешли на неё по умолчанию).

Android использует EXT4 (а новые устройства — F2FS для флеш-памяти), microSD форматируются в FAT32 или exFAT. Обычный пользователь этого не замечает — всё работает «из коробки».

Практический пример использования файловых систем

Классический пример: microSD в смартфоне отформатирована в FAT32, и на неё нельзя перенести приложения — ФС этого не поддерживает. Обходной путь — через Linux (или ADB) разбить карту на два раздела: FAT32 для медиафайлов и EXT4 для приложений. Правда, с учётом объёмов встроенной памяти в телефонах 2025–2026 годов этот трюк уже редко нужен.

Ещё один минус FAT32 — она не умеет писать данные «на новое место», а перезаписывает секторы. Для флеш-памяти с ограниченным ресурсом перезаписи это ускоряет износ. exFAT и NTFS ведут себя аккуратнее, хотя для флешек и карт памяти exFAT — выбор получше: меньше накладных расходов и отличная совместимость.

Файловые системы Windows

Windows за свою историю прошла путь от FAT16 через FAT32 к NTFS, а для серверных задач добавилась ReFS. На практике выбор делает не пользователь, а установщик ОС: Windows 10/11 автоматически форматирует системный раздел в NTFS, и менять это без веской причины — идея сомнительная.

Если используются съемные диски, то лучше прибегать к FAT32 для совместимости с другими устройствами. При работе на компьютере, где хранится много данных, применяется NTFS либо ReFS.

Файловые системы macOS

Apple давно пошла своим путём в файловых системах:

• HFS+ — устаревающий формат, который всё ещё можно встретить на старых Mac. Для новых устройств Apple его уже не использует;
• APFS — стандарт для всей экосистемы Apple: macOS, iOS, iPadOS, watchOS, tvOS. Заточена под SSD и флеш-память: клонирование файлов за доли секунды, нативное шифрование, снапшоты;
• Apple Xsan — кластерная ФС для профессионального видеопроизводства и серверных ферм, где нужен одновременный доступ к петабайтам данных с нескольких машин.

Для съемных носителей допустимы ФС FAT32, exFAT. Они хорошо читаются macOS, вполне совместимы и удобны для работы.

Файловые системы Linux

Linux — чемпион по количеству поддерживаемых файловых систем. Открытый код делает своё дело: хочешь — пиши свою ФС, ядро это позволяет.

Основные игроки:

• EXT4 — рабочая лошадка. Стабильна, проверена годами, дефолт в Ubuntu, Debian и производных. Для 90% задач — за глаза;
• XFS — стандарт в RHEL, Rocky Linux, AlmaLinux. Хорошо справляется с большими файлами и параллельными операциями записи;
• Btrfs — Copy-on-Write ФС со снапшотами, встроенным сжатием и RAID. Уже стоит по умолчанию в Fedora и openSUSE. Для серверов с нагруженным вводом-выводом пока уступает XFS, но развивается активно;
• JFS — легковесная ФС от IBM, встречается редко;
• ReiserFS — фактически заброшена, Reiser4 так и не вошёл в основное ядро.

NTFS и FAT32 Linux читает и пишет через драйвер ntfs3 (в ядре с версии 5.15) и модуль vfat — никаких дополнительных танцев с бубном.

Дополнительные файловые системы

Кластерные и специализированные ФС — это про хранение данных в масштабах дата-центра:

• ZFS — изначально создана Sun Microsystems, сейчас живёт в OpenZFS. Работает на Linux, FreeBSD, illumos. Встроенные RAID-Z, дедупликация, сжатие, снапшоты — всё из коробки. Популярна для NAS и систем хранения;
• VMFS — файловая система VMware vSphere для хранилищ виртуальных машин. Если у вас ESXi — вы с ней работаете;
• GFS2 — кластерная ФС для Linux (Red Hat). Позволяет нескольким нодам одновременно работать с общим хранилищем;
• Apple Xsan — нишевое решение для видеопроизводства на Mac.

Эти ФС заточены под конкретные задачи и инфраструктуры, на обычном десктопе вы их не встретите.

FAT (таблица распределения файлов)

История FAT (File Allocation Table) начинается в 1977 году, когда она была разработана для продуктов Microsoft. В развитии прошла несколько этапов. Выделяются версии FAT12, FAT16, FAT32, где цифры указывают число бит, от которых отталкивается система.

ФС FAT активно применялась в предыдущих версиях Windows, сейчас распространена на многих сменных дисках. Она позиционируется как простая и быстрая система, хотя и с существенными ограничениями. В настоящее время представлена главным образом FAT32, которая незаменима для съемных устройств. Это объясняется высоким уровнем совместимости с разными ОС и поколениями компьютеров.

NTFS (файловая система новой технологии)

NTFS (New Technology File System) появилась в 1993 году вместе с Windows NT 3.1 — и с тех пор остаётся стандартом для Windows. «New» в названии давно стало ироничным, но технология живёт и развивается: за 30 с лишним лет NTFS обросла журналированием, шифрованием (EFS), сжатием и поддержкой ACL.

NTFS имеет множество преимуществ:

• поддерживает файлы размером до 16 ЭБ;
• имеет хорошие показатели по фрагментации;
• проверяет диски на ошибки, обеспечивает надежность их работы;
• обладает функциями безопасности, включая шифрование, права доступа.

Является стандартным вариантом для большинства пользователей Windows и рекомендуется для использования на всех устройствах с данной ОС.

ReFS (Resilient File System)

ReFS (Resilient File System) Microsoft представила ещё в Windows Server 2012, но зрелости система достигла позже. ReFS использует модель Copy-on-Write: данные никогда не перезаписываются на месте — новая версия блока пишется в свободное пространство, а метаданные обновляются атомарно. Если питание пропадёт посреди записи — старые данные останутся целыми.

Где это пригодится: Storage Spaces Direct в Windows Server, Hyper-V (ускоренное создание .vhdx через Block Cloning), бэкап-серверы с большими томами. ReFS масштабируется от одного диска до кластеров на петабайты. Для десктопов Microsoft её пока не продвигает — здесь по-прежнему царит NTFS.

Файловая система FAT32

FAT32 (File Allocation Table 32) используется многими сменными носителями и хорошо подходит для работы с ними с разных устройств, включая старые модели. Относится к числу наиболее простых и классических, но по-прежнему сохраняющей свои позиции при проведении операций с данными.

В FAT32 содержится определенное зонирование:

• загрузочный сектор;
• непосредственно таблица с указателями;
• зона, содержащая сохраненные данные.

К достоинствам FAT32 относится ее универсальность. Среди недостатков – ограниченность файловых объемов в 4 Гб, с которыми готова работать. Имеются лимиты и для всего раздела.

Файловая система exFAT

exFAT (Extended File Allocation Table) — разработка Microsoft 2006 года, созданная специально для флешек и карт памяти. По сути, это FAT32 без лимита в 4 ГБ на файл: exFAT поддерживает тома до 128 ПБ и файлы практически без ограничений.

Плюсы exFAT:

• снимает ограничение FAT32 на размер файла — видео в 4K/8K пишется без проблем;
• минимальные накладные расходы — идеально для флеш-памяти;
• совместимость с Windows, macOS, Linux (поддержка в ядре с версии 5.4) и большинством бытовой электроники.

Про «не поддерживается Linux» — это давно неактуально. Microsoft открыла спецификацию exFAT, драйвер вошёл в основное ядро Linux. Так что exFAT сейчас — фактически универсальная ФС для съёмных носителей.

Файловые системы на базе FUSE

Платформа Unix предоставляет желающим возможность построить свою собственную файловую систему. С этой целью используется специально разработанная база – FUSE (Filesystem in Userspace). Она представляет собой интерфейс, где можно выполнить необходимые для создания ФС действия.

Примерами применения FUSE выступает монтирование:

• USB-флешек, иных съемных устройств при подсоединении к Linux;
• ФС для Android при подключении к Linux;
• сетевой ФС SSHFS для удаленного использования системы.

При работе с FUSE пользователь имеет доступ на подключение только к точке монтирования.

Наращиваемые файловые системы

Основной особенностью наращиваемой файловой системы является возможность постоянно увеличивать ее емкость. При этом нет необходимости прерывать работу ФС.

Преимуществами наращиваемых файловых систем являются:

• гибкость – реагируют на изменение объема данных и обеспечивают свободное место;
• экономичность – минимизируют расходы на увеличение дискового пространства;
• безопасность – обеспечивает надежную защиту данных, устраняет механические ошибки и сбои.

Оборотная сторона — при частом расширении и ребалансировке данных может проседать производительность. Если нагрузка прогнозируема, иногда проще заложить ёмкость с запасом, чем полагаться на динамическое наращивание.

Кластеризованные файловые системы

Кластерная ФС разворачивается на группе серверов, но ведёт себя как единое пространство хранения. Для приложений это выглядит как один большой диск — а под капотом данные распределены по нескольким нодам с репликацией и механизмами отказоустойчивости.

Такая кластеризация позволяет:

• создавать резервированные копиидля защиты от сбоев ФС;
• использовать доступные для хранения пространства;
• задействовать весь имеющийся в распоряжении потенциал кластера.

Примеры: Oracle ACFS (кластерная ФС для Oracle Grid Infrastructure), VMware VMFS, GFS2 (Red Hat), Ceph FS (распределённое хранилище, популярное в OpenStack и Kubernetes-окружениях). Как правило, кластерные ФС привязаны к конкретному стеку технологий и выбираются исходя из инфраструктуры, а не личных предпочтений.

Файловые системы с общим диском

Это также кластеризованные ФС, для которых характерно использование целой сети по размещению информации. Она создает многопользовательскую среду, так как дает возможность нескольким компьютерам иметь доступ к одному и тому же набору файлов и папок.

Одно из основных преимуществ систем с общим диском – сокращаются затраты на хранение данных. Не нужно копировать один и тот же набор на несколько компьютеров, достаточно создать один диск, доступный всем пользователям.

Такая технология используется для Linux-компьютеров. Применяется также для платформ Windows, например Distributed File System (DFS).

В чем разница между FAT32, NTFS, exFAT, HFS, EXT3, EXT4?

FAT32, NTFS, exFAT, HFS, EXT3 и EXT4 являются наиболее распространенными. Их основные особенности и отличия:

1. Используется на съемных дисках – флешках, картах памяти. Отличается универсальностью для работы с разными платформами, хотя имеет ограничения по объемам.
2. Представляет новый уровень безопасности и надежности. Поддерживает большие файловые объемы, функции безопасности.
3. Создана для преодоления ограничений FAT32. Низкая фрагментация.
4. Разработка для Mac-компьютеров. Работает с атрибутами. Имеет функции безопасности.
5. EXT3 и EXT4. Работают с Linux. EXT4 ориентирована на новые технологии хранения данных.

Что такое HFS/HFS+?

HFS (Hierarchical File System) – разработка Apple для Mac-компьютеров. Хорошо работает с атрибутами – именами, типами, метками. Также имеет функции безопасности, включая шифрование хранящейся информации.

HFS+ заменила оригинальную HFS в 1998 году: появилась 32-битная адресация блоков, журналирование, поддержка Unicode в именах файлов. Долгое время HFS+ оставалась основой экосистемы Apple. Но с 2017 года Apple перевела все свои устройства на APFS, и HFS+ перешла в статус legacy — встретить её можно на старых Mac или внешних дисках, которые давно не переформатировали.

Что такое EXT3 и EXT4?

EXT3 и EXT4 представляют Linux и работают на ее платформах. EXT3 ведет отсчет с 2001 года и выступает предшественником EXT4, который появился на 5 лет позже. Третья версия EXT имеет поддержку журналирования, которая защищает от потери данных.

EXT4 поддерживает файлы до 16 ТБ, тома до 1 ЭБ, extents для уменьшения фрагментации и отложенное выделение блоков (delayed allocation). Android до сих пор использует EXT4 на многих устройствах, хотя Google постепенно переводит новые модели на F2FS — ФС, специально оптимизированную под флеш-память.

Разработчики ядра Linux действительно называют EXT4 «последним словом позавчерашнего поколения». Будущее за Btrfs и другими Copy-on-Write системами — но EXT4 настолько надёжна и отлажена, что «убить» её в обозримой перспективе вряд ли получится.

exFAT против NTFS

exFAT наделена большими возможностями по совместимости с устройствами и ОС. У нее меньше объем, что удобно для небольших устройств.

NTFS отличается современным функционалом – ведет журналы, сжимает файловые объемы, поддерживает альтернативность потоков информации. Однако ключевая особенность – надежность, способность противостоять сбоям в работе.

Поэтому приоритетность использования представляется для большинства случаев следующим образом: работать с компьютерными дисками лучше при помощи NTFS, со съемными носителями желательно ориентироваться на exFAT.

NTFS против FAT32

FAT32 страдает недостаточным присутствием многих важных для ФС функций, имеет ограничения, низкие гарантии по безопасности. В этом отношении NTFS обладает значительными преимуществами, включая восстановление и сжатие файлов.

Однако у FAT32 есть одно важное достоинство, которое способно превзойти многие плюсы NTFS – способность работать с разными устройствами и ОС, включая macOS. Хотя FAT32 удерживает позиции одного из самых приемлемых вариантов для флеш-носителей, для работы на компьютере с Windows все-таки необходимо ориентироваться на возможности NTFS.

FAT32 против exFAT

Оба варианта предназначены для флеш-карт без претензий на работу с более сложными устройствами. Поэтому выбор между ними – дело предпочтений и условий использования. FAT32 совместим с большинством устройств, что делает его востребованным для разных платформ. Слабое место – ограничения по объему файлов. Однако это не приводит к вытеснению exFAT, хотя последний задумывался как усовершенствованная версия.

exFAT испытывает проблемы со старыми машинами и некоторыми дистрибутивами Linux, зато обеспечивает просмотр видео высокого качества, отличается большей скоростью выполнения операций.

EXT4 против NTFS

Варианты хороши для постоянной и устойчивой работы на компьютерах, при обработке больших объемов информации.

Однако имеют свои плюсы и минусы:

1. Разработан для Linux. Является журналируемой ФС, не нуждается в утилитах фрагментации, проводит быструю проверку дисков. Но есть нюанс – его разделы не читаются ОС Windows.
2. NTFS обеспечивает безопасность удаления и шифрование любых файлов, а также сжатие. Способен читать и записывать в Windows, отдельных видах Linux. В macOS доступен только для чтения.

При определении необходимой файловой системы следует учитывать тип компьютера, установленную ОС.